鋁合金板材的極限小角度冷彎性能研究

謝 宇，張仲榮，李明賀

[中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司 天津 300300 ]

0 引 言

在汽車輕量化發展進程中，具有密度小、性能好、可循環再利用等優點的鋁合金在很多方面替代了密度較高、強度相當的鋼鐵材料，如在發動機缸體、側梁部件、車架、前后保險杠、輪轂等部件都有較大量級鋁合金材料的應用。新能源汽車中除了與傳統車的結構件相類似的輕量化應用外，在底盤、動力電池托盤、地板、座椅系統等部件也都大量使用鋁合金材料。

傳統的熱沖壓成型結構鋼件的彎曲角一般在50°～60°之間，處于彎曲下限水平，有過早開裂的危險［1］。馬鳴圖等［2］曾按照《汽車半掛車連接器焊接質量評定規范》（VDA238—100—2017）［3］彎曲試驗標準對3種22MnB5熱沖壓成型鋼件的冷彎性能進行了對比研究，發現熱成型鋼的彎曲角均小于60°。

在一些關鍵部件發生碰撞時，部件不可避免地會承受尖銳硬物沖擊彎曲，也就是小角度冷彎。為了保證行人的安全和將車輛損失程度降到最低，制造商一般要求部件在承受小角度彎曲時不能提前出現斷裂或吸能不足現象，而材料所表現的吸能性能與彎曲角的關系特點是，彎曲角越大，彎曲載荷越大，形變量越大，材料的吸能就越多，吸能效果越佳。所以隨著材料制作工藝的發展、新材料的出現，除了賦予整車更高的強度外，在結構件受到碰撞沖擊的吸能性等方面也需要進行考慮。

本文針對2種鋁合金材料的彎曲性能，按照VDA 238—100—2017彎曲試驗標準展開了相關研究，對鋁合金的失效位置進行了掃描電鏡形貌分析，并對另一種的鋁合金批量板材進行了耐彎性試驗。通過研究不同彎曲方向和不同樣品厚度對最大彎曲角度的影響，并分析彎曲達到最大角度后微觀開裂失效的形式，以期為防撞耐折彎鋁合金零部件產品的設計、應用及相關失效問題的解決提供參考。

1 測試原理

按照彎曲試驗標準VDA 238—100—2017，采用特殊彎曲試驗的工裝，彎曲夾具裝置如圖1所示，對板材試樣持續施加載荷，直至載荷越過峰值后下降一定值（60 N或30 N）時結束，獲得這個加載過程中的載荷與試樣受力部位位移量之間的變化曲線，通過參數計算或儀器測量得到試樣的極限冷彎角，如圖2所示。

圖1 彎曲夾具裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of bending fixture

圖2 板材彎曲角度計算過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of plate bending angle calculation process

圖1中：F為壓力，N；S為壓頭行程，mm；D為支棍直徑，mm；L為輥輪間距，mm；B為樣品寬度，mm；l為樣品長度，mm。

2 試驗方法

2.1 試驗材料

試驗材料為3種不同的鋁合金原材件。在制備彎曲試驗板材試樣時，首先對原材試樣290 mm×70 mm進行預拉伸，標距為100 mm，以預拉伸速度0.002 5 s-1進行10%預拉伸伸長變形，預拉伸結束后，從拉伸試樣上制備彎曲試樣，如表1所示。

表1 彎曲試驗試樣的尺寸規格Tab.1 Dimensional specifications of bending test specimens

每組樣品均選擇與鋁板軋制方向平行0°和垂直90°的2個方向進行彎曲試驗。

2.2 試驗程序

按照VDA 230—100—2017彎曲試驗規定，彎曲所用的壓頭要根據樣品厚度進行選擇：尖端r為0.2 mm的壓頭1適用于厚度在2 mm以下的板材；尖端r為0.4 mm的壓頭2適用于厚度在2 mm以上的板材。滾輪間距L設置為鋁合金板材試樣厚度在2 mm以下時，L=2t0+0.5，而厚度在2 mm以上時，根據客戶要求，L一般為2t0（t0為實際板厚）。

根據試樣的厚度選擇壓頭并設置輥輪間距，將樣品置于工裝夾具上，按照VDA 238—100—2017對試驗機設備進行參數設置，預加載速率為10 mm/min、預加載載荷為30 N、測試速率為20 mm/min。根據加載載荷下降30 N（試樣厚度在2 mm以內時）或60 N（試樣厚度大于2 mm時），判斷試驗結束。

最大彎曲角測試采用專用軟件，測試中讀取圖2所示參數。

圖2中：D為支棍直徑，mm；L為輥輪間距，mm；S為壓頭行程，mm；r為彎芯半徑，mm；t0為樣品厚度，mm；α為塑性變形角（° ）；C為彎芯與支棍中心高度起始間距（Z向）；P為彎芯與支棍中心橫向間距；W是角度計算的一個中間變量，是一個過程量，不是一個具體的尺寸，在國內外的標準中都沒有定義。

根據德國標準《鋁板材料》（VDA 239—200—2013 ）［4］，對于厚度大于2 mm的鋁合金樣品彎曲角αm，應進行標準化轉化，標準化彎曲角的轉化公式如下：

在試驗結束后，對于彎曲失效的樣品，采用電子顯微鏡進行分析。

3 結果分析

3.1 同厚度不同彎曲方向的試驗比較

牌號為6063的鋁合金樣品在垂直軋制方向（90°）和平行軋制方向（0°）的彎曲試驗載荷-位移曲線如圖3所示，試驗結果計算如表2所示。樣品厚度為5.6 mm，長度為11.2 mm，寬度為平行方向的1/2。結果發現，在垂直方向的樣品，其承受的載荷可達12 kN，彎曲角約為62.7°，壓頭位移下降約為9.0 mm；而在平行方向的樣品，其所承受的載荷可達21 kN，彎曲角約為34.0°，壓頭下降約為5.3 mm。雖然平行方向的承受載荷高于垂直方向，但其最大變形量低于垂直方向、彎曲角明顯小于垂直方向。

表2 6063鋁合金的彎曲試驗結果Tab.2 Bending test results of 6063 aluminum alloy

表3 6005B鋁合金樣品的彎曲試驗結果Tab.3 Bending test results of 6005B aluminum alloy

圖3 6063鋁合金的彎曲載荷-位移曲線Fig.3 Bending load-displacement curves of 6063 aluminum alloy

鋁合金試驗樣品的厚度大于2 mm時，可利用公式（1）進行標準化彎曲角轉化，垂直軋制方向的標準化彎曲角平均值為104.9°，平行軋制方向的標準化彎曲角平均值為56.9°。結果顯示，垂直軋制方向的鋁合金的彎曲角在標準化前后都大于熱成型鋼的50°～60°極限范圍。

3.2 同彎曲方向不同厚度的試驗比較

對牌號為6005B的鋁合金樣品進行冷彎曲試驗，試驗方向垂直于軋制方向（90°），彎曲載荷-位移曲線如圖4所示，彎曲試驗結果如表2所示。該試驗樣品組的厚度不同，組1樣品厚度為2.5 mm，組2樣品厚度為2.05 mm。組1樣品承受的載荷至少可達7.2 kN，彎曲角平均值164.5°，壓頭下降平均值為15.7 mm；組2樣品承受的載荷達3.2 kN，彎曲角平均值109.2°，壓頭下降平均值為11.5 mm。比較發現，厚度2.5 mm的鋁合金樣品組的承受載荷能力、彎曲角、樣品變形都要大于厚度為2.0 mm的樣品，說明同一材料不同厚度的承載能力和彎曲角不同，厚度越大，承載性能越高，彎曲角度越大。

圖4 6005B鋁合金的彎曲載荷-位移曲線Fig.4 Bending load-displacement curves of 6005B aluminum alloy

同樣地，對于厚度大于2 mm的鋁合金樣品，可以進行彎曲角的標準化轉化，經公式（1）計算，6005B鋁合金樣品組1的標準化彎曲角平均值為183.9°，組2的標準化彎曲角平均值為110.5°。該結果同樣驗證了垂直軋制方向的鋁合金彎曲角在標準化前后可大于熱成型鋼的50°～60°極限范圍。

3.3 彎曲角失效形貌分析

對6063鋁合金的冷彎試驗樣品的失效位置采用掃描電鏡進行觀察，斷口形貌如圖5所示，（a）和（b）分別為垂直軋制方向（90°）和平行軋制方向（0°）的彎曲失效形貌。可以看出，在低倍電鏡下，彎曲斷裂形貌呈現明顯的帶狀纖維狀，裂縫形貌符合正應力撕裂特征。測量彎曲面頂點位置的最大裂紋寬度和深度可知，90°彎曲方向的裂紋寬深比約為12，0°彎曲方向的裂紋寬深比約為8，2組裂紋微觀斷口均有明顯的韌性撕裂特征；0°彎曲方向的裂紋最深處有明顯的臺階分層現象，裂紋深度明顯大于90°彎曲方向的裂紋，表明0°彎曲方向下，樣品的抗極限小角度彎曲能力明顯低于90°彎曲方向。這表明在進行產品設計時，應盡量把90°彎曲的方向作為部件主要的受力和吸能方向。

3.4 實際樣品的應用

對某型號的鋁合金樣品進行批量冷彎曲試驗，試驗方向均為平行軋制方向（0°），彎曲角和標準化彎曲角如圖6所示，在厚度為5.5～5.8 mm范圍內，該樣品的彎曲角在20°～40°之間，彎曲角與樣品厚度相關性較弱，其擬合相關系數遠遠達不到0.9。

圖6 某鋁合金材質在不同厚度下的彎曲角Fig.6 Bending angle of an aluminum alloy under different thicknesses

4 討論與啟示

根據VDA238—100—2017彎曲試驗標準，對于試驗樣品，應按照標準要求預拉伸再進行彎曲試驗，若不進行預拉伸測試的彎曲試驗，其結果與預拉伸后的彎曲結果不具可比性。針對不同板材厚度，應選擇合適的壓頭，以避免試驗失效。彎曲角角度的測試方式有多種，如激光掃描、角度尺、數字顯微掃描等，采取任何一種均可。對于鋁合金冷彎試驗，相同材質在不同彎曲試驗方向所得彎曲角不等，不同厚度材質在相同彎曲試驗方向所得的彎曲角也不同，不同材質的彎曲角是不同的，因此在測試時要特別注意制樣的方向和測試方向。試驗也發現，鋁合金在垂直軋制方向的彎曲角大于平行方向。

實際應用中，冷彎試驗結果不僅與材質、方向、厚度、預拉伸、制樣等因素有關，還與材料的加工工藝及條件有關，在生成制造中千萬不能忽視。研究表明，6008鋁合金淬火越好，折彎角度（彎曲角）越大，就有更均勻的冷卻條件，可以保證產品各位置冷卻的一致性。同時，局部的熱應力會導致變形，所以淬火速率越快，得到的組織均一性更強、更細小，折彎性能越好，延展性更強，壓潰等變形能力更強［5］。

對于冷彎后的失效位置，通過采用掃描電鏡觀察，可以獲得其微觀組織結構、晶粒大小及均勻性分布、表皮微觀形貌等，進而獲得失效的機理，有助于產品工藝改進。

5 結 論

按照VDA238—100—2017進行彎曲試驗，可以獲得鋁合金樣品的彎曲角、最大受力載荷及樣品發生的位移變化，彎曲角可作為汽車防撞件、易彎件制造工藝選材的評價項目。

型號6063合金鋁材料在垂直軋制方向的極限彎曲可以獲得更大的變形和彎曲角，垂直方向的彎曲角大于熱成型鋼，可為利用該型材制作防撞零部件提供工藝參數參考。

采用掃描電鏡對彎曲位置的裂紋進行更直觀的觀察，以便獲得更加微觀的信息，這對于零部件產品的選擇、工藝改進、后期部件的失效問題解決等均具有重要指導意義。